（动力机械及工程专业论文）isg混合动力车转矩控制策略及前向式simulink建模仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源和环境问题的日益突出，可以有效减缓能源压力和 改善环境质量的电动汽车已成为当前世界汽车工业研究与开发的热 点。具有低油耗、低排放特点的混合动力汽车，是目前最切实可行、 可批量生产的节能汽车。混合动力汽车能量管理策略是混合动力汽车 研究的关键技术之一。本文以某基于超级电容的i s g ( i n t e g r a t e d s t a r t e rg e n e r a t o r ，集成起动发电机) 混合动力车为研究对象，开展 了混合动力车动力源间的能量分配及协调工作研究，对混合动力汽车 控制系统开发的研究具有一定现实意义和应用价值。 首先，本文介绍了并联式混合动力车控制策略的研究现状和建模 仿真技术在混合动力车开发过程中的应用；重点对i s g 混合动力汽车 转矩控制策略进行了设计，该转矩控制策略的核心内容由发动机和电 动机间的转矩分配控制策略和转矩协调控制策略两部分组成，其中， 转矩分配控制策略，是在满足驾驶员需求转矩的基础上，以发动机高 效率工作为主要目的，对发动机和电动机的目标转矩进行合理分配； 转矩协调控制策略则是通过电动机转矩补偿发动机转矩的方法来弥 补二者之间动态特性的差异，实现发动机与电动机间的协调工作。 其次，结合所设计的i s g 混合动力车转矩控制策略，在 m a t l a b s i m u l i n k 软件平台上建立了混合动力车整车前向式仿真模型， 该仿真模型由驾驶员模型、整车控制器模型和动力传动系统模型三部 分组成。重点介绍了动力传动系统模型中发动机平均值模型的建立过 江苏大学硕士学位论文 程。 最后，针对所建立的发动机平均值模型和混合动力车整车前向式 模型分别进行了离线仿真分析，并与发动机试验结果进行了对比验 证。仿真结果表明所建发动机平均值模型满足转矩控制策略的要求， 可用于发动机转矩估计，混合动力车整车前向式仿真模型可以用于整 车能量管理策略的研究。 关键词：混合动力车，汽油机，转矩控制，平均值模型，前向仿真 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h eg r o w i n gc o n c e r n so ng l o b a le n e r g ya n de n v i r o n m e n ti s s u e s ， i ti st h em a i nt a s ko fm o d e ma u t o m o t i v ei n d u s t r yt od e v e l o pe l e c t r i c v e h i c l e st h a tc o u l dr e d u c ee n e r g yp r e s s u r ea n di m p r o v et h ee n v i r o n m e n t q u a l i t y h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ) w i t hl o w e re m i s s i o na n df u e l c o n s u m p t i o na r ef e a s i b l ea n dc a ng oi n t om a s sp r o d u c t i o ns of a r e n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g yi s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yf o rh e v w i t hr e g a r d t oak i n do fi s gh e vw i t hu l t r a c a p a c i t o r , t h ep a p e rc a r r i e do u tar e s e a r c h o ne n e r g yd i s t r i b u t i o na n dc o o r d i n a t i o nw o r kb e t w e e np o w e r so fh e v t h er e s e a r c hi sv e r ym e a n i n ga n dp r a c t i c a lf o rt h ed e v e l o p m e n to fh e v c o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo fc o n t r o ls t r a t e g yf o rp a r e l l e l h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ea n dt h ei m p o r t a n c eo ft h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n to fh e vw e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n d t h ep a p e rp u te m p h a s i so nt h ed e s i g no ft o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yf o ri s g h e v t h ek e yo ft o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yi sc o m p o s e do ft w op a r t s ：t o r q u e d i s t r i b u t i o nc o n t r o l s t r a t e g ya n dt o r q u ec o o r d i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y t o r q u ed i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yw a su s e dt od i s t r i b u t et h et o r q u e r e a s o n a b l y b e t w e e nt h e e n g i n e a n dm o t o la n di ta l s ow a sa i m e d s a t i s f y i n gt h ed r i v e rt o r q u ea n dk e e p i n gt h ee n g i n eo p e r a t i n gi nh i g h e f f i c i e n c yi nt h ep a p e r t o r q u ec o o r d i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yr e m e d i e dt h e d i f f e r e n c eo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h ee n g i n ea n dm o t o rb yt h e i i i 江苏大学硕士学位论文 w a yo fc o m p e n s a t i n gt h ee n g i n et o r q u ew i t ht h em o t o rt o r q u es ot h a tt h e e n g i n ea n dt h em o t o rc a nw o kh a r m o n i o u s l y s e c o n d l y , b a s e do nt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n k ，t h e f o r w a r ds i m u l a t i o nm o d e lo fh e vw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h e t o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yf o ri s gh e v t h em o d e li sc o m p o s e do ft h r e e p a r t s ：d r i v e rm o d e l ，t h ew h o l ev e h i c l ec o n t r o l l e rm o d e la n dt h em o d e lo f h e v d y n a m i cs y s t e ma n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n d o u rf o c u s e sw e r e o nt h em e a nv a l u ee n g i n em o d e l l a s t l y , t h ee s t a b l i s h e dm e a nv a l u ee n g i n em o d e la n dt h ef o r w a r d v e h i c l em o d e lf o ri s gh e vw e r ec a r d e do u ti nt h ew a yo fo f f - l i n e s i m u l a t i o n a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t r e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e a nv a l u ee n g i n em o d e l t h a tc o u l db eu s e df o rt h et o r q u ee s t i m a t a t i o no fe n g i n ew a se n o u g hf o r t h er e q u i r e m e n to ft o r q u ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ef o r w a r dv e h i c l em o d e l f o ri s gh e vc o u l db eu s e df o rt h er e s e a r c ho nt h ev e h i c l e e n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g y k e y w o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，g a s o l i n ee n g i n e ，t o r q u ec o n t r o l ， m e a nv a l u ee n g i n em o d e l ，f o r w a r ds i m u l a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：嗜占) 虱 刮拜月l 乡日 指导教师签名：方旁彭缈 舅 九f c 年6 月f ) 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：砖、与目 日期：砷年月j ) 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 一百年来，汽车工业的发展在推动经济发展的同时，也带来了能源紧缺和环 境恶化的问题。专家预计，到2 0 1 5 年左右，世界石油产量到达年产4 5 亿吨的高 峰后将出现递减趋势，届时能够继续增产的国家可能只剩下中东和个别非欧佩克 国家【1 1 。另外，世界各大城市也将面临不同程度的汽车排放污染问题，汽车大量 使用所产生的废气和噪声，对自然环境造成严重污染，并危害人体健康。 面对这种能源与环境问题的双重压力，世界汽车工业致力于开发出新的汽车 技术。美国政府于1 9 9 3 年开始了新一代汽车伙伴计划( t h ep a r t n e r s h i pf o ran e w g e n e r a t i o no fv e h i c l e s ，p n g v ) ，该计划确定了轻质材料、混合动力、高性能发 动机和燃料电池等为p n g v 计划的主要技术方向。该计划执行了近7 年，直至 布什政府宣布以f r e e d o m c a r 计划取代p n g v 计划而告终。p n g v 计划出台以后， 欧洲、日本等国纷纷效仿，各自确定了新一代汽车发展计划，从而引发了具有划 时代意义的汽车技术创新。这些技术创新主要集中在四个方面【2 】：发动机技术( 燃 油直接喷射和涡轮增压) 、改善燃油品质、电动汽车和代用燃料。其中，混合动 力汽车( h v b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 技术作为一项在短期内可有效降低汽车 能源消耗和排放的汽车新技术，已经成为世界各国政府、企业和科研机构研究的 焦点之一，它是过渡到未来无污染汽车必须经过的桥梁。1 9 9 7 年日本丰田公司 的普锐斯( p r i u s ) 混合动力汽车已经批量走向市场，至2 0 0 8 年4 月全球总销量 已突破1 0 0 万辆，丰田计划在2 0 1 0 年之后的几年内使普锐斯的全球年销量达到 1 0 0 万辆。 我国经济的发展一直以粗放型方式快速增长，资源和环境的压力日益严峻。 无论从提高我国科学技术进步的角度出发，还是从能源和环境的角度考虑，开展 混合动力电动汽车的研究对我国的可持续发展都具有十分重要的意义。国家科技 部己将混合动力汽车研究作为“十五、“十一五 的“8 6 3 ”计划重大专项内容。 混合动力汽车根据其结构布置形式不同，可分为串联式混合动力汽车( 如丰 田c o a s t e r ) 、并联式混合动力汽车( 如日野h i m r 、本田i n s i g h t 、丰田c r o w n 、 江苏大学硕士学位论文 长安杰勋等) 和混联式混合动力汽车( 如丰田p r i u s ) 。其中，并联式混合动力汽 车一直是混合动力汽车研究的热点。 并联式混合动力汽车根据结构不同可划分为单轴式和双轴式两种，如图1 1 和图1 2 所示。由图可知，并联式混合动力汽车具有发动机、电动机发电机或驱 动电动机两套驱动系统，它们既可以分开工作，也可一起协调工作、共同驱动。 车辆j 下常行驶时车辆驱动以发动机驱动为主；在车辆起动或加速时电动机承担部 分负荷，辅助发动机驱动车辆行驶；在车辆需求转矩减少时发动机一方面驱动车 辆行驶，另一方面通过发电机向电池充电，保证发动机始终在高效率区工作。另 外，在车辆制动和下坡时利用再生制动系统回收制动能量，向电池充电；当车辆 临时停车时，关闭发动机，以减少发动机燃料消耗。 机械连接 电气连接 i ： 田。- - 。 ：司 图1 1 单轴式并联混合动力系统 f i g 1 1s i n g l ed r i v e s h a f tp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l es y s t e m 机械连接 电气连接 发动机h 变速器l 一 齿 轮 1 车轮 系 i 电动机变速器 回一固 图1 2 双轴式并联混合动力系统 f i g 1 2d o u b l ed r i v e s h a f tp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l es y s t e m 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 并联式混合动力汽车控制策略研究现状 并联式混合动力系统具有多个动力源，需要考虑多个动力源间的能量分配和 协调工作问题。并联式混合动力系统的核心控制问题可概括为两类【3 “】：1 ) 稳 态过程中多个动力源间的能量分配和效率优化问题，即如何分配发动机和电动机 之间的动力，使得既满足驾驶员对整车驱动力的需求，又优化发动机、电机、辅 助能源( 蓄电池) 以及整车的效率，最终得到发动机和电动机的目标转矩。2 ) 动态过程中多个动力源间的相互配合协调工作问题，即当发动机和电动机目标转 矩发生大幅度变化或者突变时，在发动机和电动机达到各自的目标转矩之前，控 制发动机和电动机协调工作，使二者提供的转矩之和始终等于驾驶员需求转矩， 以保证车辆的动力性和驾驶舒适性。 目前，针对并联混合动力汽车控制策略的研究主要集中在并联混合动力系统 稳态过程中多个动力源间的能量分配和效率优化方面，这些控制策略可概括为三 类：基于规则的稳态能量管理策略、基于优化算法的能量控制策略和基于智能控 制技术的控制策略。而对动态过程中多个动力源间协调工作问题的研究则相对较 少。 1 2 1 能量分配控制策略研究现状 ( 1 ) 基于规则的稳态能量管理策略 基于规则的稳态能量管理策略主要是依据工程经验，根据部件的稳态效率 m a p 图来确定发动机和电动机之间的动力分配。该方法相对简单，易于实现， 国外成型的混合动力样车和产品车大多采用这种控制方法。但是由于h e v 工作 模式切换的规则是根据经验设定的，因此得不到最优的系统性能。另外，这种规 则只考虑稳态下的工作状况，而没有考虑动态情况下各部件的运行状况变化( 如 没有考虑发动机的动态响应问题等) 。因此，简单规则控制策略只能实现简单的 控制系统功能，而不能达到系统性能最优。 基于规则的稳态能量管理策略可以选择车速、扭矩或功率作为控制变量来对 车辆的能量进行分配。该能量管理策略大致可分为：电力辅助型控制策略、s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 转矩平衡式控制策略、车速因子控制策略和功率因子控制策 3 江苏大学硕士学位论文 略。 1 ) 电力辅助型控制策略 电力辅助型控制策略是并联式h e v 较为普遍采用的一种控制策略，其将电 动机作为动力系统中的灵活因素，根据汽车工况对发动机输出功率进行“削峰填 谷”，同时将蓄电池s o c 值保证在一定范围内，从而优化发动机的性能，本田 i n s i g h t 和雪铁龙x s a r a 混合动力车均采用此策略【2 1 。 2 ) s o c - 转矩平衡式控制策略 s o c - 转矩平衡式控制策略的核心内容是将变速器输入端的转矩需求实时合 理地分配给发动机和电动机，以提高动力系统的效率。其基本原则是控制发动机 工作在高效区，取消发动机的怠速运行工况，即在低速、低负荷时关闭发动机， 由电动机驱动车辆。另外，还需要监控电池s o c 值的变化情况。参考文献 3 l q b 基于规则的转矩控制策略即属于s o c 转矩平衡式控制策略。 3 ) 车速因子控制策略 车速因子控制策略是并联式h e v 最早采用的控制策略，以车速为主要控制 参数。当车速低于所设定的值时，由电动机单独驱动车轮；当车速高于所设定的 值时，电动机停止驱动，而由发动机驱动车轮；当车轮负荷比较大时，则由发动 机和电动机联合驱动车轮。此策略利用了电动机低速大转矩的特点，避免了发动 机的怠速及低负荷工况，而当蓄电池s o c 降低到某一设定值以下时，无论此时 车速多低，发动机都将起动，同时发动机一部分功率通过发电机向蓄电池组充电。 4 ) 功率因子控制策略 功率因子控制策略是以功率为主要控制变量，当驱动轮需求功率低于某设定 值时，汽车由电动机单独驱动；当驱动轮需求功率高于该设定值时，此时有利于 发动机高效率工作，因而发动机被起动，电动机则停止运行。发动机起动的最佳 时机是在变速器换挡期间，这有助于获得平稳的驾驶性能，一旦驱动轮需求功率 超过发动机所提供的功率时，电动机辅助发动机提供额外的功率。美国密歇根大 学的c h a n c h i a o l i n 5 】等人研究的基于规则的功率管理策略就属于功率因子控制 策略的范畴。 ( 2 ) 基于优化算法的控制策略 基于优化算法的能量控制策略包括瞬时优化控制策略和全局优化控制策略。 4 江苏大学硕士学位论文 基于瞬时优化的控制策略根据各个部件和能量传递路线的效率图，使用优化方法 来优化当前工作点下的最优转矩分配比例。相比基于简单规则的稳态能量管理策 略，该策略能够实现实时最优控制。但是计算量大，实现起来比较困难，运行成 本也比较高。此外，在计算过程中还需要对未来行驶工况中由制动产生的回收能 量进行预估，需要建立比较精确的预估模型，因此实现也比较困难。故瞬时优化 控制策略还没有在实际并联混合动力汽车上推广应用。由于瞬时优化控制策略不 能保证在整个运行区间最优，因此需要一种保证能在全局范围内最优的控制策 略，即全局优化控制策略，这种控制策略应用最优化方法和最优化控制理论开发 出混合动力驱动力分配控制策略。基于全局优化的控制策略在行驶路况已知时能 得到最优的系统性能，但是需要很长时间计算，一般限于仿真使用，也可以作为 实时控制策略性能评价的参考。 ( 3 ) 基于智能控制技术的控制策略 智能控制技术非常适合控制非线性和不确定性的系统，具有控制准确、鲁棒 性好的特点，是目前混合动力汽车能量管理系统研究的热点【6 】。该策略主要是通 过应用模糊逻辑、神经网络和遗传算法来决策混合动力系统的工作模式和功率分 配。无论哪种智能能量控制策略都必须预先获取控制对象的专家知识，然后使用 各种优化算法设计相应的智能能量控制器。 总之，目前提出的并联式h e v 控制策略还不十分成熟，已开发的控制策略 各有优点，互补性很强，但都没有达到最优控制。只有基于工程经验进行设计的 基于规则的稳态控制策略在实际商品化h e v 中得到应用。所以，开发高性能、 成熟实用的控制策略仍然是目前混合动力汽车研究中亟待解决的问题。 1 2 2 动态协调控制问题研究现状 动态协调控制问题是指在混合动力系统中，当发动机和电动机目标转矩发生 大幅度变化或者突变时，在发动机和电动机达到各自目标转矩之前，如何控制发 动机和电动机协调工作，从而保证发动机和电动机输出的转矩之和不产生较大波 动，并符合驾驶员对驱动转矩的需求，是一个从动力性和驾驶舒适性角度考虑的 控制问题【3 】。 美国西南研究院对并联混合动力系统的协调控制问题进行了研究。 5 江苏大学硕士学位论文 a n e d u n g a d i 7 等人研究了等速工况下的状态切换对并联混合动力车驾驶性能的 影响，指出了动态协调控制的目标，但是没有透露具体的动态协调控制方法及其 改进方向。日本丰田汽车公司生产的混联式混合动力系统车田混合动力系统 利用其特有的动力分配机构较好地解决了这一问题，但该项技术的应用没有普遍 性。 国内黄妙华【8 】等人从电动汽车实车工作过程出发，以转矩作为整车能量管理 的控制量，提出了基于需求转矩分配的能量管理策略。该策略以发动机稳态状态 下的燃油消耗率特性图为基础，根据驾驶员在汽车运行过程中的需求转矩，对动 力源进行合理、实时有效的转矩分配，从而实现了在循环工况始末蓄电池组的充 电状态s o c 值基本保持平衡及发动机燃油消耗较低的控制目标。该文没有对转 矩传递的平稳性进行研究，只是指出了以转矩作为控制量，会使动力源提供的转 矩与需求转矩不相等，出现振荡，影响汽车运行的平稳性。华中科技大学的何海 【6 】采用模糊控制的策略研究a m t 换档和工作模式切换引起的转矩波动问题，提 出了一种新的动态转矩平衡方法，提出的转矩平衡方案是调整电动机的输出转 矩，使电动机的转矩为转矩需求减去发动机实际输出转矩和i s g 实际输出转矩， 即用电动机转矩补偿发动机转矩。清华大学童毅【3 】提出了发动机和电动机转矩的 动态协调控制问题，并针对工作模式切换引起的转矩波动问题展开了较深入的研 究，提出的动态协调算法是“发动机转矩开环+ 发动机动态转矩估计+ 电动机转 矩补偿”，即发动机转矩仍然由节气门开度来调节，发动机实际转矩与目标转矩 之间的差值由电动机的转矩进行补偿。 总之，对于转矩协调控制问题来说，其解决方法的实质是：使发动机和电动 机的转矩之和在混合动力车状态切换过程中的波动尽可能减小，利用电动机转矩 响应快的特性，用电动机转矩对发动机转矩进行补偿，此解决方案的关键之处在 于如何获得发动机的实时转矩。 1 3 混合动力汽车建模仿真技术的发展 目前，计算机仿真作为h e v 开发流程中的一项实用技术，已越来越多的被 各大科研机构和整车生产企业所认同与接受，新的建模方式的提出与新的仿真软 件的开发都已成为h e v 研究领域内的重要组成部分，它为h e v 的快速发展提 6 江苏大学硕士学位论文 供了有力的技术保障。 混合动力汽车仿真模型可分为前向仿真模型和后向仿真模型。 前向仿真模型一般用于混合动力系统的详细设计和动态模拟，仿真过程更加 接近于车辆的实际情况，图1 3 所示为前向仿真系统示意图。前向仿真模型具有 驾驶员模型，根据车辆运行状况向整车控制器模型输出指令，在整车控制器模型 中根据设计好的整车控制策略产生需求转矩指令，动力总成模型根据该转矩需求 及其能够提供的转矩限制向传动系统模型输出转矩，最终到达车轮模型，实现车 辆的正常行驶。 一控制信息 一能量信息 圈 图1 3 前向仿真系统示意图 f i g 1 3t h es k e t c hm a po f f o r w a r ds i m u l a t i o ns y s t e m 后向仿真模型用于在设计初期进行混合动力系统的预估和优化，其仿真系统 示意图如图1 4 所示。后向仿真模型从满足循环工况要求出发，计算动力系统各 部件必须提供的转矩、转速、功率等，仿真信息沿整车循环工况、车轮模型、传 动系统模型，最终达到动力总成模型。即主要回答当满足一定的行驶要求时，车 辆的组成部件应满足的工作特性。后向仿真过程比较简便，不需要建立驾驶员模 型，也不考虑动力系统( 尤其是离合器和变速器) 的动态过程，计算步长较大( 一 般为l s ) ，计算速度快。 控制信息 能量信息 图 图1 4 后向仿真系统示意图 f i g 1 4t h es k e t c hm a po fb a c k w a r ds i m u l a t i o ns y s t e m 7 江苏大学硕士学位论丈 总之，前向仿真是在实车系统组装前，通过对已基本确定的部件进行详细设 计和动态模拟，在优化整车控制策略的原则指导下，适当改进相应部件的设计参 数，以达到使整车性能满足设计要求的目的。后向仿真一般用于对所需开发的电 动汽车整车结构及相应的控制策略作初步的筛选与评估，属于理论论证过程，在 电动汽车仿真研究后期，进行硬件在环的半实物仿真时，此种仿真方式将不利于 在实车系统环境下对控制策略进行调试和优化。 目前，电动汽车的仿真软件大多数属于后向仿真软件，如i d a h o 美国国家工 程实验室开发的s i m p l e v 软件、l i v e r m o r e 美国国家实验室开发的h v e c 软件、 t e x a sa & m u n i v e r s i t y 开发的v - e l p h 软件及美国能源可回收试验室( n r e l ) 开 发的a d v i s o r 软件等。前向仿真软件主要有a v l 公司开发的c r u i s e 软件以 及美国a r g o n n e 国家实验室a n l 开发的p s a t 软件。国内对电动汽车的仿真软 件的研究，主要集中在高校和科研院所，在仿真平台的搭建上，注重对国外先进 技术的学习与借鉴，已相继开发出一系列与本土电动汽车产品研究相匹配的仿真 软件。但从目前的状况来看，多数是建立在对国外仿真系统的二次开发基础上， 尚未有比较系统和成熟的混合动力汽车仿真软件。 1 4 建模仿真技术在控制器开发过程中的应用 面对汽车电控系统功能不断增强而开发周期却不断缩短的要求，采用传统的 汽车控制器开发方法已经难以满足现代汽车控制器的设计开发。越来越多的汽车 厂商与汽车电子开发商已经意识到，采用现代计算机辅助开发工具建立集成式的 控制器开发方法，可以使汽车控制器的各个开发阶段之间有效地衔接起来【9 j 。控 制器现代开发方法支持从功能定义直到最终产品测试的整个汽车控制器的开发 过程，通过统一的开发工具可以减少手工编程的工作量并且能够避免许多人为的 错误，在保证产品开发的可靠性的基础上，缩短控制器的开发周期，降低开发风 险和开发成本。 控制器现代开发方法又称“v 模式 开发方法【1 0 ，1 ，一般在d s p a c e 平台 上进行，其开发流程如图1 5 所示。其中图形化建模与仿真是控制器开发的基础， 处于整个开发流程的第一步。 8 江苏大学硕士擘住论文 目1 i 日! m 图1 5 控制器v 模式开发流程 f i 9 15 t h e f l o w o f v _ c y c l e ( 1 ) 图形化建模与离线仿真：在m a t l a b s i m u l i n k 平台上完成控制器模型和 被控对象模型的建立并进行离线仿真，以修正控制算法与设计要求不相符的地 方，并确定设计的可行性和模型中各参数的大致范围。在此阶段初步建立控制器 的控制算法。 ( 2 ) 快速控制原型：在控制器开发的控制算法设计阶段，最棘手的问题莫 过丁无法迅速对所设计的控制算法进行验证，以检验控制算法与功能定义是否一 致。因此在控制器现代开发方法中采用快速控制原型( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p e ， r c p ) 技术对功能设计与离线仿真所设计的控制器控制算法进行验证。 ( 3 ) 自动产品代码生成：利用t a r g e t l i n k 软件将s i m u l i n k 中的控制器模型 生成c 代码，下载到真实的控制器中。 ( 4 ) 硬件在回路仿真：在某些情况下如被控对象处于研制阶段或被控对象 很难得到，亦或是由于实际测试条件的限制等，使控制器的实际测试难以进行。 因此采用硬件在环仿真测试技术印采用实际的控制器和代替真实环境或被控对 象的d s p a c e 硬件组成测试系统。这样就可以在实验室条件下用事先确定的测试 条件对目标电控系统进行反复测试所得测试结果具有很好的可记录性及可比 性，从而可以大大降低开发费用，缩短开发周期。 ( 5 ) 系统参数标定与整车测试；把经过硬件在环仿真验证的控制器连接到 完全真实的被控对象中，进行实际运行试验和调试。 由此可知，混合动力车控制器开发过程中的仿真研究可通过两种方法来完 成。第一种方法为离线仿真方法，离线仿真在m a f l a b s i m u l i n k 仿真平台上完成。 江苏大学硕士学位论文 模型的运行时间与实际的时间并不一一对应，而是由系统模型的复杂程度、设置 的仿真步长和选用微分方程求解算法决定的。在系统特性研究和控制算法开发的 初期，可以采用离线仿真方法来分析混合动力系统特性以及快速修正控制算法中 的错误。第二种方法为实时仿真方法。实时仿真是系统模型在实时仿真平台 d s p a c e 上运行，模型的运行时间与实际的时间一一对应。实时仿真包括快速控 制原型和硬件在回路仿真两个阶段。在实时仿真平台d s p a c e 上对系统模型进行 仿真主要是以实际操作为系统输入，进一步验证控制器模型中的控制算法。控制 器v 模式开发流程就是通过离线仿真和实时仿真完成控制器的初步开发和测试， 最终通过标定试验完成整个控制器的开发过程。 1 5 课题来源及本文的主要研究内容 本论文以国家“8 6 3 ”计划“新型电容混合动力轿车整车产品研发 项目为 背景，开展并联混合动力车转矩控制策略的仿真研究，项目编号是 2 0 0 6 a a l l a l 2 8 。研究内容以转矩为控制变量，针对某基于超级电容的i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ，集成起动发电机) 混合动力汽车，设计其能量管 理系统的转矩分配策略和协调控制算法，建立其动力系统和传动系统的模型，并 在m a t l a b s i m u l i n k 平台上对混合动力车整车前向式仿真模型进行离线仿真分析， 为混合动力车电控系统硬件在环仿真奠定一定基础，对于课题组在混合动力汽车 控制系统开发方面具有较高的应用价值。具体研究内容有： ( 1 ) 以混合动力车s o c 转矩平衡式控制策略为基础，详细阐述i s g 混合动 力车转矩控制策略的设计思想，该转矩控制策略既可以控制混合动力车发动机与 电动机间转矩的分配，还可以解决混合动力车工作模式切换时转矩协调控制问 题。 ( 2 ) 建立基于s i m u l i n k 的驾驶员模型和整车控制器模型，并根据并联混合 动力汽车的实际部件参数，建立混合动力车动力系统及传动系统相应的仿真模 型。联接各子模型建立混合动力车的整车前向式仿真模型。 ( 3 ) 对所建整车控制器模型及混合动力车整车l j 向式模型进行仿真分析， 以验证所设计的转矩控制策略和建立的i s g 混合动力车整车前向式仿真模型的 正确性。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章is g 型混合动力车转矩控制策略 并联混合动力汽车控制策略的核心是能量管理策略，它是混合动力汽车控制 策略研究的重点，也是混合动力汽车开发的关键技术。能量管理的核心问题是如 何合理分配发动机和电动机的能量输出，以满足驾驶员对整车驱动能量的需求， 并保证发动机在高效区工作。目前，基于转矩的混合动力汽车控制策略通常是根 据电池的s o c 值、驾驶员的加速和制动踏板位置及车速，按照一定规则使发动 机和电动机输出相应的转矩，以满足驱动轮对驱动力矩的要求【1 2 ，1 3 】。 本论文所设计的转矩控制策略采用基于规则的稳态能量管理策略中的s o c 转矩平衡式控制策略，并对该策略进行了扩充，即转矩控制策略包含转矩分配策 略和转矩协调策略两部分内容。该控制策略主要依据工程经验，以发动机稳态热 效率m a p 图及超级电容s o c 值为基础进行发动机和电动机之间的动力分配。 同时，为保证混合动力车的动力性和舒适性，在混合动力车工作模式发生切换时， 对发动机与电动机的转矩进行协调控制。 2 1i s g 混合动力系统结构 i s g 混合动力系统是一种并联式混合动力系统，i s g 主要是指发动机和电动 机在一根轴上进行转矩复合，大功率的电机代替传统的起动机和发电机。该动力 系统结构简单，系统集成度高，是极具潜力的混合方式【1 4 】。 本论文研究的i s g 混合动力系统结构示意图如图2 1 所示，该混合动力系统属 于单轴并联方案，集成了发动机、i s g 电机和双离合器等部件，选用超级电容作 为能量储存器。i s g 电机直接安装在发动机曲轴输出端，i s g 电机转子与发动机 曲轴通过电控离合器相连，定子固定在发动机机体上，其输出轴通过机械式离合 器与变速器相连。i s g 电机作为汽车的辅助动力源，该混合动力系统可以实现发 动机怠速停机、纯电动驱动、发动机驱动、功率辅助和再生制动能量回收等功能。 这些功能使得发动机工作在高效率区，提高了混合动力车的燃油经济性和排放性 能【1 5 1 。 江苏大学硕士学位论文 电 2 2 转矩分配策略 机械离合器 变 - j 主篓h 警 速 器 图2 1i s g 混合动力系统结构示意图 f i g 2 1t h es k e t c hm a po fi s gh e v s t r u v t u r e i s g 混合动力系统转矩分配控制策略示意图如图2 2 所示，混合动力车以转 矩为控制变量进行能量分配时，首先要确定混合动力车各种运行状态及各种状态 下的总需求转矩，而后根据总需求转矩的大小，结合转矩分配策略的效率优化原 则，即主要根据发动机稳态热效率图、超级电容的充电状态s o c 值以及发动机、 超级电容和电动机运行时的限制条件等进行转矩的分配，最终确定发动机、电动 机及制动系统各自的目标转矩。 总需求转矩 目标转矩 目标转矩 制动系统 目标转矩 图2 2i s g 混合动力系统转矩分配控制策略示意图 f i g 2 2t h es k e t c hm a po ft o r q u ed i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yf o ri s gh e v 简单来说，转矩分配控制策略就是通过电动机调整发动机的输出转矩，使发 动机尽可能在高效囹1 6 1 7 】工作。并联混合动力汽车起步时，由于此时车速较低， 为保证发动机燃油经济性及排放，此时发动机不工作，而由电动机驱动，超级电 容放电。在车辆以正常车速行驶时，车轮等效需求转矩在发动机高效工作的转矩 1 2 江苏大学硕士学位论文 范围内，此时由发动机驱动，这样就保证了发动机一旦起动就工作于高效区。如 果发动机输出功率较大，且超级电容组有充电的要求时，这时发动机将多余的功 率用于向超级电容充电。当车辆爬坡或以较大加速度行驶时，电动机与发动机一 起驱动车辆。在减速和制动时，若超级电容组s o c 值较低，则电动机处于发电 状态，将部分制动能转换为电能存储于超级电容中，其余需求制动转矩由机械制 动装置提供。 完成转矩的分配过程可分三个步骤进行：( 1 ) 识别总需求转矩；( 2 ) 确定状 态切换条件；( 3 ) 确定目标转矩。 2 2 1 识别总需求转矩 总需求转矩用于发动机和电动机间的转矩分配，指的是对变速器输入端的转 矩需求，主要由发动机需求转矩瓦一喇、i s g 电机需求转矩乙一，叼( m f 钹e g 机时乙一嘲 0 ) 和制动系统转矩需求瓦一，叼( 瓦一，叼0 ) 组成。 = 疋一恻+ 乙一r 叼+ 瓦一，叼 ( 2 1 ) 在车辆行驶过程中，总需求转矩主要是通过对加速踏板和制动踏板的操作识 别出来的。总需求转矩由驱动转矩和制动转矩构成。根据驾驶员是否有制动需求 将混合动力车运行方式分成驱动状态 o 和制动状态 o 两种。 驱动状态： = 疋一嘲+ 乙一嘲 ( 2 2 ) 制动状杰： 2 2 2 确定状态切换条件 = 瓦一r 叼+ 乙一嘲 ( 2 3 ) 发动机和电动机的工作状态决定了并联混合动力系统的运行模式【1 8 ，1 9 ，刎。 在转矩分配策略中，发动机和电动机的工作模式主要由发动机稳态热效率图确定 ( 如图2 3 所示) ，同时考虑到驾驶员需求转矩及超级电容的充电状态s o c 值。 1 3 江苏大学硕士学位论文 图2 3 中，曲线a 为电动机助力最小转矩线乙鲫，曲线b 为发动机最佳热 效率曲线，曲线c 为发动机工作最小转矩线疋曲。曲线a 和曲线c 将发动机整 个工作区分为三个区间：电动机工作区、发动机工作区以及功率辅助区( 发动机 和电动机联合驱动) 。当需求转矩处于曲线c 下方时，发动机热效率差，发动机 不工作，由电动机驱动车辆行驶；当需求转矩处于曲线a 和曲线c 之间时，发动 机热效率高，发动机工作，电动机根据超级电容的s o c 值不同，处于发电状态 或不工作；当需求转矩处于曲线a 之上时，发动机和电动机共同驱动车辆行驶。 l 功率辅助区l 爷哥|h 剀厶 - ， ，一 、l l l 一 _ _ 一 、3 , 产 、 i l 一 ，弋 ，一一r 姜f 。、1l 少 奄屯 、 o 、 一fb ) i 发动机工作区 、 、 。 ，_ 一 ， 、。 盯。_ ，l _ 、l u 2 7 升o 2 5 - v j 。j i ! i7 、 l 。 一一- ， 一。i 个 电动机工作区， 、_一， 弋心了。， 0 2 7 l 、 i r 卅1 5 p 0 1 弋卜 、 、- 一 一 、 i 一i j ， 1 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0q u 0 04 5 0 05 0 0 05 5 0 0 发动机转速，( ，“蛐 ( a ) 电动机助力最小转矩线乙瓣( b ) 最佳热效率曲线( c ) 发动机工作最小转矩线瓦血 图2 3 发动机稳态热效率图 f i g 2 3t h ec h a r to fe n g i n et h e r m a le f f i c i e n c yi ns t e a d ys t a t e 图2 4 为超级电容状态示意图，由图可知，超级电容的s o c 值将超级电容 的工作区域划分为高效区和低效区两个区域，以s o c - 0 9 作为超级电容高效区 的最大值s o c k , ，s o c = o 1 作为超级电容高效区的最小值s o c m , 。当 s o c 如c 一时超级电容禁止充电；当s o c 舳l 时超级电容要求必须充电； 当s d c 血 s o c s o c 一时超级电容即可充电也可放电。 1 4 0 0 n加趵伯们趵加 摹高孟嫩牟幸暴督蝼 江苏大学硕士学位论文 1 0 0 9 0 7 5 l 、6 0 肄 颧4 5 3 0 1 5 0 低效区 高效区啼低效区 。： 0 s o c _ m i ns 0 c s o c _ m x1 图2 4 超级电容状态示意